智能光照:种植和发电两不误

2016-10-26 | 作者: 胡璇子 | 标签: 植物智能光照

9月,在G20杭州峰会举办的同时,由Discovery探索频道与五洲传播中心联合打造的以中国创新为主题三集纪录片《Smart China(智慧中国)》在Discovery亚太电视网向全世界首播。

“它能够分离植物萌芽、生长、开花、结果和育种所需的约10%的可见光,同时将剩余80%以上的光通过槽形发光器进行反射,集中到一块标准的太阳能电池板上,再产电。”作为中国科技创新的16个典型案例之一,中国科学技术大学先进技术研究院的“农作物智能光照技术”在节目中被详细报道。

在节目中,中国科学院院士褚君浩评价认为,这是一个重要创新,对于解决能源和环境问题具有重要意义。

“这个项目从产业化角度看仍处于早期,却是一个原创性强、可行性高、意义重大的项目。”近日,农作物智能光照技术项目负责人、中国科学技术大学先进技术研究院(以下简称中国科大先研院)副总工程师刘文在接受《中国科学报》记者采访时说。

分离农作物生长所需太阳光

“事实上,农作物生长所需的光仅约占太阳光的10%。”刘文在节目中介绍,植物对光的吸收主要集中在650+/-20nm的红光和440+/-20nm的蓝光之外,其他都很少,总共大约只占太阳光谱能量的10%,其他80%以上的太阳能量可以被用于光伏发电。

同时,不同植物需要吸收的光照是不同的。“比如西红柿的生长需要吸收的白光要大于蓝光,比例约为9:1。”刘文举例道。

由于每种植物的最佳生长都只需要吸收特定范围的光谱,刘文及其团队的思路是测量出不同植物吸收的光谱,然后根据光谱数值设计光谱比,利用独特的薄膜技术分离太阳光谱,让每种植物类群能够精确吸收其生长所需的光谱。

他们提出并发展了一种能选择性地透过红光和蓝光的薄膜,这种光谱分离薄膜由多层高分子薄膜组成,基于多层介质膜干涉滤波理论和特殊的生产工艺,通过调控每层薄膜的折射率和厚度,不同波长的光会在不同折射率的界面处干涉叠加,最终只能使特定波长的光能透过薄膜,其余部分光反射。

据了解,这种薄膜采用石化行业副产品(聚酯类)制作,成本低、附加值高、性能稳定。现有样品不仅可以把光合作用有效光辐射(红、蓝光)分离出来,并且经过500小时100摄氏度开水长期蒸沸、紫外辐照等实验,没有发现光学及其他物理、化学特性的变化。

刘文告诉《中国科学报》记者,目前中国科大先研院已经建设完成了一个实际示范及实验系统,已经完成了经过人工选择阳光条件下和普通光照条件下三种农作物(黄瓜、竹叶菜、生菜)生长情况的对比实验,植物主要生理参数(可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、根活跃吸收面积)测试结果表明:在3—5月份等光照充足的春季使用滤光膜对农作物生长有好处,可以帮助实现作物增收、改善作物品质等。值得一提的是,实验中农作物不仅接受透过多层干涉滤光膜的红蓝光,还有全光谱的漫散射太阳光(约占15%光能)。

不仅仅为植物提供光照

这项技术能实现的不仅仅是为植物生长分离和提供所需的光照。

在节目中,刘文展示了实验室中温室设备及其顶部结构,通过薄膜技术分离植物生长所需的约10%的太阳光的同时,剩余80%以上的光通过槽形发光器进行反射,集中到一块标准的太阳电池板上,用于发电。

“这个设备巧妙高效地将光能利用起来,否则这些光就会照射到地面上造成浪费。”Discovery节目如是评价该发明在能源利用方面的重要意义。

刘文告诉记者,与过去国内外光伏农业系统相比,该系统由简单的几何分光或者强度分光升级到光谱分光,在实现光伏发电的同时,还优化了植物生长光照条件,可以使太阳能的利用“最大化”。

从实际示范及实验系统的效果来看,在5月中旬晴朗天气条件下,中午时间单位面积发电能力已经达到87瓦/平方,水蒸发减少了40%。

实际上,光伏农业在国外也有不少案例,日本、德国、意大利等国都有一定规模的应用。

“但是现有光伏农场及光伏植物大棚都没有很好解决农作物光照需要与发电的矛盾。”刘文说,从这一点上来说,农作物智能光照技术则是一种可以实现种植与光伏发电“两不误”的创新方案。“种地+种电”可能成为广大农户成倍提高收入的一个新生产模式。

前景可期

除了实现种植和光伏发电“两不误”,该发明还有两大优点:第一,通过光照条件智能调控,农作物经济性可以显著提升,可以帮助农民进一步提升经济收入;第二,可以大幅度节约农业灌溉用水,预计节约灌溉用水40%以上。

刘文及其团队研制的智能光伏项目已经申请了8项专利,2015年在上海召开的第九届国际太阳能产业及光伏工程展览会暨会议SNEC(2015)上,经过严格的专业评委评选,中国科大先研院提出的新型农业光伏系统解决方案凭借光伏农业项目的科技创新获得十大亮点吉瓦级金奖,并同时荣获2015APVIA亚洲光伏—科技成就奖。另外,该项目还获得了第43届日内瓦国际发明展金奖和2015年全国创新创业大赛优秀奖等。

“客观条件上,中国人均土地资源、人均水资源匮乏,发展光伏农业(农场),是土地资源匮乏国家提升土地资源利用率的一大举措,也是目前国内各级政府农村扶贫的一个重要内容。”刘文说。

目前,智能光伏系统仍处于前期示范阶段,中等规模量产还需要具体实践。从示范工程来看,采用这种智能光伏系统发电,每瓦成本约9.8元。相比之下,传统光伏和光伏农业系统发电每瓦成本分别为6.5元和8元。

刘文告诉记者,如果实现了批量生产,其成本还可以进一步降低20%以上,同时每亩发电量可以再增加20%以上。“相当于光伏发电部分的成本可以降低到6元/瓦以下,低于普通晶硅光伏解决方案。”

因为从根本上突破了农地与光伏用地不能兼容的问题,刘文表示,该项目今后可以在人口稠密的京津冀农村、中东部地区农村大面积推广。可能对于落实国家新能源十三五发展规划中关于大力推广分布式光伏发电具有重要意义。项目组初步测算,如果每年投资约6000亿元,经过10年时间就可以将河南、河北及中东部地区约4000万亩耕地改造成为上述新型光伏农场。

如果4000万亩的新型光伏农场最终成为现实,那么,正如节目中说言,这将成“疯狂”的绿色科技。“这些农场每年发电量相当于12个三峡电站,所节约的水蒸发还相当于新建立了一个南水北调中线工程。”刘文说。

刘文介绍说他项目组多个成员家在农村,大家梦想我们发展的技术能够帮助更多农户实现“金山银山”和“绿水青山”双丰收。 

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来源:《中国科学报》

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